新能源整車控制器VCU核心功能詳解

上篇介紹了VCU核心功能介紹，也從車輛驅(qū)動控制方面介紹了“模式管理”，“扭矩管理”和“四驅(qū)控制”等幾塊主要系統(tǒng)功能。本文將繼續(xù)從“電力系統(tǒng)”，“熱管理”和“低溫駕駛性改善策略”等方面，介紹VCU中提高車輛運(yùn)行的安全性和舒適性的幾塊功能。

?VCU軟件核心功能介紹（下）

支持 Reset后可自動恢復(fù)行駛狀態(tài)的電管理功能

如上文中提到VCU協(xié)調(diào)的部件很多，其中很多是高壓電力部件。因此VCU主要的工作之一是負(fù)責(zé)高低/壓電力系統(tǒng)的控制。包括：高壓上/下電協(xié)調(diào)、高壓功率分配和限制、高壓部件信息處理（包含D/R擋切換時的電機(jī)四象限映射），以及部件的診斷和保護(hù)功能。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性很大程度的決定了整車的運(yùn)行狀況。

對于電子控制器來說，在整個生命周期內(nèi)很難避免完全不發(fā)生復(fù)位，比如VCU自身內(nèi)部導(dǎo)致的硬件復(fù)位、軟件復(fù)位，以及外部干擾導(dǎo)致的復(fù)位等。雖然復(fù)位時間很短（比如軟件復(fù)位，發(fā)生復(fù)位到恢復(fù)通訊大概不到0.2s），但如果在有些場景（如高速行駛時）復(fù)位后不能盡快自動恢復(fù)之前的狀態(tài)，則車輛會失去動力，進(jìn)而可能會給駕駛員帶來非常大的安全隱患。

特別是對于整車控制器VCU，很多動力相關(guān)的部件都受其控制。并且在正常情況下，如果要進(jìn)入行車就緒狀態(tài)，一般需要至少兩個不同的操作（如踩剎車、按啟動按鈕、換擋等）；而一旦在高速工況下出現(xiàn)了控制器復(fù)位，很多復(fù)位前儲存的信號會被初始化，此時如果仍需要駕駛員兩個連續(xù)不同操作，則可能出現(xiàn)非期望的減速，甚至造成追尾事故。

為此，聯(lián)合電子開發(fā)了一種新能源整車控制器軟件復(fù)位后動力自動恢復(fù)的控制功能（圖1），該功能通過識別到控制器發(fā)生了軟件復(fù)位，然后根據(jù)復(fù)位后車輛的狀態(tài)，決定是否需要恢復(fù)車輛復(fù)位前的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在盡可能保證安全的前提下，自動恢復(fù)到復(fù)位前的狀態(tài)。

圖1 VCU 復(fù)位后自動恢復(fù)可行駛狀態(tài)

上述方案經(jīng)過實(shí)車測試，在VCU發(fā)生復(fù)位后約0.11s后恢復(fù)通訊，該功能可以在0.19s內(nèi)自動恢復(fù)高壓狀態(tài)，0.25s后自動恢復(fù)整車驅(qū)動就緒狀態(tài)，0.38s后自動恢復(fù)D擋并完成整個恢復(fù)過程。不需要駕駛員任何操作，整車恢復(fù)正常行駛狀態(tài)且沒有發(fā)生長時間動力丟失的現(xiàn)象（圖2）。

圖2 VCU 復(fù)位后自動恢復(fù)可行駛狀態(tài)實(shí)測效果

支持多種協(xié)議的VCU充電主控功能

充電控制功能負(fù)責(zé)識別不同模式的充電需求，根據(jù)不同的模式選擇對應(yīng)充電控制過程。與供電設(shè)備（EVSE）、動力電池BMS等充電相關(guān)部件協(xié)調(diào)交互，實(shí)現(xiàn)充電使能條件判斷，充電過程監(jiān)控，充電結(jié)束條件判斷等功能。開發(fā)的軟件不僅能實(shí)現(xiàn)支持國標(biāo)交流/直流充電協(xié)議，也能滿足歐洲和北美的聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）以及日本CHAdeMO充電協(xié)議（圖3）。為了解決充電設(shè)備的兼容性和充電時長難以滿足電動車車主的需求，軟件也實(shí)現(xiàn)了超級充電標(biāo)準(zhǔn)的充電控制功能。

圖3 充電控制軟件架構(gòu)

剩余充電時間是指電動車開始充電到充電結(jié)束所花費(fèi)的時間，充電時間隨著車輛電量增多逐漸減小。剩余充電時間估算功能要求車輛在充電開始階段就能準(zhǔn)確預(yù)測整個充電過程所花費(fèi)的時間，但電動車充電過程中，充電時間受電芯特性、充電策略、樁輸出能力、整車熱管理和SOX估算精度等多個因素的影響，因此，高精度的剩余充電時間估算一直是行業(yè)難題。

聯(lián)合電子采用的是一種基于充電工況動態(tài)修正的自適應(yīng)剩余充電時間估算算法，該算法將充電過程分為低電壓預(yù)充電，恒流充電和恒壓充電三個階段，算法根據(jù)每一階段的充電特征，分別估算各階段充電時間，然后累加求和得出總時間。在恒流充電階段，可以根據(jù)客戶需求配置基于電芯電壓或SOC階梯式充電策略的充電時間估算。

在充電過程中，算法通過增加充電樁輸出能力修正因子來預(yù)測未來充電樁最大輸出電流。對于高低溫工況，除了在充電開始前計(jì)算電池預(yù)熱、預(yù)冷時間外，充電時間算法在充電過程中也會基于電池?zé)崮Ｐ秃碗姵匕鼰峁芾聿呗?，預(yù)測未來電池溫度，進(jìn)而確定電池未來的充電電流。對于充電末端，由于SOC精度造成充電時間偏差，算法增加基于單體電壓的充電時間倒計(jì)時算法以提高末端充電時間估算精度（圖4）。

圖4 直流充電剩余時間計(jì)算實(shí)測效果

支持充電預(yù)熱的中低溫回路熱管理控制

熱管理控制功能可以協(xié)調(diào)來自于電池、電機(jī)、發(fā)動機(jī)和駕駛艙等的加熱或冷卻需求（圖5），結(jié)合整車模式來決策和切換熱管理控制模式，進(jìn)而控制各子系統(tǒng)準(zhǔn)確的響應(yīng)各種來源的熱管理需求。開發(fā)的軟件可以適用于純電和混動項(xiàng)目中的多種熱管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖5 VCU熱管理需求來源

為了提升低溫環(huán)境下車輛上電后快速達(dá)到電池合適的運(yùn)行狀態(tài)，開發(fā)的電池遠(yuǎn)程預(yù)熱功能可以結(jié)合駕駛員的出行時間、電池狀態(tài)、充電狀態(tài)以及整車能量狀態(tài)對電池進(jìn)行預(yù)熱，在駕駛員用車時使電池性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。方案引入了一次喚醒計(jì)算預(yù)熱時間和二次喚醒執(zhí)行預(yù)熱的概念，并且在駕駛艙有預(yù)調(diào)節(jié)需求時，引入特定的電管理和能量協(xié)調(diào)方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能耗、電池性能、駕駛艙舒適性最優(yōu)。

充電預(yù)熱控制可以實(shí)現(xiàn)用戶在低溫插槍充電時，根據(jù)電池的預(yù)熱請求，控制電池處于預(yù)熱模式。在充電機(jī)輸出能力范圍內(nèi)，由充電機(jī)輸出功率通過電池加熱器（PTC）對電池加熱。因?yàn)樵诔潆婎A(yù)熱模式下，電池的主繼電器在斷開狀態(tài)，能確保電池不會有電流輸入或輸出，確保不會對低溫條件下的電池造成損壞。當(dāng)電池被加熱到合適溫度后，再控制電池退出預(yù)熱模式進(jìn)入正常的充電模式。方案實(shí)現(xiàn)了在低溫下給電池充電有效保護(hù)電池的同時，縮短充電時間，給用戶帶來更好的充電體驗(yàn)（圖6）。

圖6 低溫交流充電預(yù)熱實(shí)測效果

低溫環(huán)境兼顧功率保護(hù)和駕駛性改善策略

在電池溫度很低時電池的充放電功率受限，行車過程中會經(jīng)常用到電池的功率邊界。當(dāng)整個系統(tǒng)在功率邊界附近運(yùn)行時，會非常容易導(dǎo)致電池過充或過放發(fā)生。此時系統(tǒng)會進(jìn)行快速閉環(huán)調(diào)節(jié)以把電池功率調(diào)整到正常范圍內(nèi)，但這會導(dǎo)致駕駛性變得很差。因此如何在低溫環(huán)境下同時兼顧功率邊界保護(hù)和可接受的駕駛性兩方面一直是行業(yè)的有個難題。

尤其對于多電機(jī)串并聯(lián)四驅(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個電機(jī)實(shí)際功率都會相互影響彼此的功率邊界，是一個相互影響的多層閉環(huán)控制，某一個高壓部件功率抖動都會影響其他部件的抖動（圖7）。因此，在極低溫度時電池輸入輸出功率受限，并且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在多電機(jī)耦合時，更容易造成電池過充過放以及駕駛性抖動。

圖7 多電機(jī)串并聯(lián)四驅(qū)拓?fù)涔β蔬吔缬绊懯疽鈭D

針對多電機(jī)耦合的混動系統(tǒng)，通過大量策略優(yōu)化以及低溫駕駛性試驗(yàn)驗(yàn)證對比，軟件將電池長時功率進(jìn)行動態(tài)邊界調(diào)節(jié)，在扭矩結(jié)構(gòu)以及模式切換過程中，用電機(jī)長時扭矩邊界對駕駛員驅(qū)動需求進(jìn)行限制，用電機(jī)短時扭矩邊界對類似ESP干涉、發(fā)動機(jī)啟動預(yù)留等扭矩需求進(jìn)行限制，保證滿足駕駛需求的同時，不會出現(xiàn)電池過充過放的情況。通過電池功率預(yù)測，電池限制功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，以及預(yù)測功率變化趨勢提前收窄或放寬功率限制邊界等方式。很好的解決了低溫環(huán)境下兼顧功率保護(hù)和駕駛性的效果（圖8）。

圖8 功率閉環(huán)保護(hù)功能框架

以低溫環(huán)境下起步全油門加速工況為例，通過上述軟件優(yōu)化措施，當(dāng)?shù)蜏毓r發(fā)電機(jī)實(shí)際功率波動情況下，也可以保證電池功率不過放，并且前后電機(jī)準(zhǔn)確響應(yīng)扭矩邊界限制，避免駕駛抖動的發(fā)生（圖9）。

圖9 低溫全油門加速駕駛性實(shí)測效果

故障診斷和響應(yīng)

新能源汽車的動力和高壓部件比傳統(tǒng)車多很多，車輛可能發(fā)生的故障類型和數(shù)量以及不同場景下(駐車、充電、行車等)的故障發(fā)生后的后處理的方式也很多。故障診斷的及時性、故障后處理的合理性對駕駛員的駕駛體驗(yàn)和車輛安全性都有很大的影響。

基于對整車所有驅(qū)動部件的700多個故障原因和影響梳理，結(jié)合整車可能的故障響應(yīng)方式，軟件針對不同場景下發(fā)生故障的嚴(yán)重性，設(shè)計(jì)了多個等級的故障響應(yīng)方式。在確保車輛安全的前提下，盡可能做到了駕駛體驗(yàn)的友好性。此外VCU作為整車OBD的主控制器,根據(jù)法規(guī)實(shí)現(xiàn)了不同部件發(fā)生故障發(fā)生后的亮燈需求協(xié)調(diào)和故障提示功能（圖10）。

圖10 故障診斷和響應(yīng)功能框架

編輯：黃飛

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